LISA Pathfinder - Technologieerprobung für das Gravitationswellen-Observatorium eLISA



Start: voraussichtlich Mitte 2015

Wissenschaftliche Ziele der Missionen eLISA und LISA Pathfinder

LISA Pathfinder dient als Technologie-Demonstrations-Mission (ehemals SMART-2) für die Cornerstone-Mission eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna). eLISA soll voraussichtlich 2028 oder später gestartet werden und als Weltraumobservatorium niederfrequente Gravitationswellen im Frequenzbereich von weniger als 0,1 Millihertz bis zu 0,1 Hertz beobachten.

eLISA wird damit komplementär zu bodengebundenen (interferometrischen) Gravitationswellen-Observatorien wie Advanced LIGO (USA), GEO 600 (Deutschland/Großbritannien), VIRGO (Frankreich/Italien), TAMA 300 (Japan) beziehungsweise deren Nachfolger betrieben, die im Frequenzbereich zwischen etwa zehn und 10.000 Hertz messen werden. An der Entwicklung und dem Betrieb von GEO 600 ist federführend das Max-Plank-Institut für Gravitationsphysik/Albert-Einstein-Institut (Golm bei Potsdam, Hannover) beteiligt, das auch maßgeblich an der Entwicklung von LISA Pathfinder und eLISA mitarbeitet.

 LISA Pathfinder mit dem Wissenschaftsmodul (links) und dem bereits abgetrennten Antriebsmodul (rechts unten)
zum Bild LISA Pathfinder mit dem Wissenschaftsmodul (links) und dem bereits abgetrennten Antriebsmodul (rechts unten)

Kosmische Quellen von Gravitationsstrahlung, die sich in den genannten Frequenzbereichen von erdgebundenen Observatorien und aus dem Weltraum nachweisen lassen werden, sind kurzperiodische Doppelsternsysteme, enge beziehungsweise kollabierende Systeme von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, Gamma-Strahlungsausbrüche und Supernovae, supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sowie ein stochastischer Hintergrund von Quellen innerhalb und außerhalb unserer Galaxis.

Darüber hinaus lassen sich möglicherweise Gravitationswellen nachweisen, die als Relikte von Prozessen im frühen Universum zu deuten sind, wie etwa schwingende kosmische Strings, Phasenübergänge und das Echo des Urknalls selbst. Typische Amplituden, das heißt relative Längenänderungen ΔL / L, von interferometrisch vermessenen Abständen, die durch die Gravitationswellen-Detektoren nachzuweisen sind, liegen in der Größenordnung zwischen 10 hoch -19 und 10 hoch -23, abhängig von der Art der Objekte sowie der Frequenz und der Dauer der emittierten Signale.

Während elektromagnetische Wellen vom Gamma- bis in den Radiobereich im wesentlichen Informationen über die äußere Beschaffenheit astrophysikalischer Objekte liefern, erlaubt die Gravitationwellenastronomie, Rückschlüsse auf die gesamte Massenverteilung der Quellen und deren zeitlichen Änderungen zu ziehen. Sowohl die terrestrischen als auch weltraumgestützte Gravitationswellen-Observatorien werden ein wichtiges neues Fenster zum Universum öffnen und lassen damit wesentliche neue Erkenntnisse über Einzelobjekte wie auch das Weltall in seiner Gesamtheit erwarten.

Die Mission eLISA

Die drei Sonden von eLISA spannen im All ein gleichseitiges Dreieck mit einer Seitenlänge von einer Million Kilometern auf.

eLISA wird aus einer Konfiguration (Cluster) von drei Satelliten, einem Mutter- und zwei Tochtersatelliten, an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit etwa einer Million Kilometern Seitenlänge bestehen, das der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne in einem Abstand von etwa 50 Millionen Kilometern folgt (das heißt, der Schwerpunkt des Clusters folgt der Erde von der Sonne aus betrachtet unter einem Phasenwinkel von 20 Grad). Die gesamte Konfiguration ist dabei um 60 Grad gegen die Bahnebene der Erde um die Sonne (Ekliptik) geneigt. Mutter- und Tochtersatelliten enthalten zwei beziehungsweise jeweils eine freifliegende Testmasse(n), die möglichst frei von äußeren Störungen gehalten werden. Die gegenseitigen Abstände der Testmassen werden von Satellit zu Satellit durch hochgenaue Heterodyn-Laserinterferometrie vermessen.

Auf diese Weise sollen die durch Gravitationswellen hervorgerufenen minimalen Abstandsänderungen zwischen den Testmassen zweier Satelliten nachgewiesen werden. Die erforderliche Meßgenauigkeit der Abstände beträgt (bei breitbandiger Messung im Frequenzbereich zwischen etwa einem und zehn Millihertz) typischerweise rund 1/100 des Durchmessers eines Wasserstoffatoms (10 hoch -12 Meter) bei einem Abstand von einer Million Kilometern. Die minimalen Bahn- und Lagekorrekturen, die für die Zentrierung der Satelliten auf die Testmassen notwendig sind, werden jeweils durch ein "Drag-free Attitude Control System" (DFACS) aus den Messungen von Inertialsensoren ermittelt und über Mikro-Newton-Triebwerke (Kaltgas- und Kolloidtriebwerke) umgesetzt.

LISA Pathfinder: Technologische Ziele

Die notwendige Freiheit der Testmassen von Störkräften lässt sich jedoch auf der Erde wegen der Größe der dort auszuregelnden Störeffekte (insbesondere der irdischen Schwerkraft und ihrer Variation) nicht vollständig verifizieren. Daher verfolgt LISA Pathfinder als notwendige technologische Vorgängermission von eLISA das Ziel, die Schlüsseltechnologien des Systems im Weltraum zu testen. Diese Technologien umfassen insbesondere

  • die Inertialsensoren zur Messung der Positionen der Testmassen relativ zum Satelliten,
  • das "Drag-Free-Control-System" (DFACS) zur Steuerung der Kompensation von Störkräften mittels Inertialsensoren und Mikro-Newton-Triebwerken,
  • die Laserinterferometrie zur hochgenauen Bestimmung der gegenseitigen Positionen und der Orientierung der Testmassen.
 Das LISA Pathfinder Technology Package (LTP) wird im Weltraum Schlüsseltechnologien für das Gravitationswellen-Observatorium eLISA erproben.
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Dabei soll sich das System bei Frequenzen oberhalb von einem Millihertz den relevanten Spezifikationen für die Störungsfreiheit bei eLISA (maximale spektrale Energiedichte der Störbeschleunigungen der Testmassen < 3 x 10 hoch -15 m x s hoch -2 x Hz hoch -1/2 im Frequenzbereich 0.1 mHz bis 1 mHz) bis auf eine Größenordnung annähern. Diesem Ziel dient das unter Federführung der ESA entwickelte "LISA Technology Package" (LTP). Die Entwicklung des zunächst vorgesehehen, zum LTP komplementären "Disturbance Reduction System" (DRS), des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA ist inzwischen eingestellt worden. Lediglich die Kolloidtriebwerke werden noch vom JPL beigestellt.

Nach ihrem Start wird die LISA-Pathfinder-Sonde zunächst in eine elliptische Transferbahn eingeschossen, deren Aphel dann mit Hilfe eines eigenen Antriebmoduls in mehreren Phasen angehoben wird, um schließlich in eine Halobahn um den Lagrangepunkt L1, rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt einzuschwenken. Vor dem Einschwenken in die endgültige Bahn und dem Beginn des wissenschaftlichen (Drag-Free-) Betriebs unter möglichst geringen Störeinflüssen wird schließlich das Antriebmodul vom Nutzlastmodul abgetrennt, um dessen störenden Einfluss auf die Testmassen auszuschließen. Die Halobahn um den L1 wurde ausgewählt, um die die hohen Anforderungen an die Nutzlast im Hinblick auf die thermische Stabilität (konstante Sonneneinstrahlung und Temperatur) und die geringen gravitativen Störungen zu erfüllen, die nahe des Gravitationsgleichgewichtspunktes zwischen Erde und Sonne gegeben sind.

Kooperation bei LISA Pathfinder

Das "LISA Technology Package" wird unter Führung der ESA, als verantwortlicher Raumfahrtagentur für das Gesamtprojekt, mit Beiträgen verschiedener europäischer Raumfahrtagenturen bzw. Ministerien entwickelt. Beteiligt sind Forschungs- und Universitätsinstitute sowie Industrieunternehmen aus Spanien, Italien, Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden, der Schweiz und Deutschland. Während die LISA-Pathfinder-Sonde von der EADS Astrium Ltd. (Großbritannien) gebaut wird, koordiniert die EADS Astrium GmbH (Friedrichshafen) als Industrial Architect die Entwicklung, den Bau und die Tests des gesamten LTP. In Deutschland ist das Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover federführend an der Entwicklung des Interferometers, das das Herzstück der wissenschaftlichen Nutzlast von LISA-Pathfinder darstellt, beteiligt.

Deutscher Anteil am LISA Pathfinder Technology Package

Zum deutschen Beitrag an der LTP-Nutzlast, der durch das DLR finanziert wird, gehören insbesondere:

  • die Rolle des Co-Principal Investigators (Co-PI), die durch Prof. Karsten Danzmann vom MPI für Gravitationsphysik/Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover wahrgenommen wird;
    die Aufgabe des Industrial Architect (Systemingenieur) des LTP-Gesamtsystems, für die die EADS Astrium GmbH (Friedrichshafen) ausgewählt wurde;
  • die Bereitstellung des LTP Laser-Systems sowie der Entwurf, die Montage und Integration sowie Verifikation und Test der optischen Bank des zentralen Interferometers des LTP;
  • die wissenschaftlich-technische Unterstützung der LTP-Entwicklung durch das AEI, insbesondere betreffend die Interferometrie und das Laser-System;
  • die Unterstützung der Betriebsphase der Mission sowie die Auswertung der wissenschaftlichen und technischen (Performance) Daten im Hinblick auf die Vorbereitung der LISA-Mission.
Missionsdaten und technische Parameter von LISA Pathfinder:

Start: Mitte 2015 vom Startplatz Kourou (Franz. Guayana) oder Plesetsk (Russland)
Trägerrakete: Vega (oder Rockot)
Orbit: Halobahn um den Lagrange-Punkt L1 von Sonne/Erde,
Abstand von der Erde etwa 1,5 Mio. km
Nominelle Missionsdauer: 12 Monate, davon 6 Monate im Drag-free Betrieb
Masse der Sonde: 475 kg Nutzlastmodul/1900 kg Startmasse
Äußere Abmessungen der Sonde (Nutzlastmodul): 2,1 m x 1,0 m
Masse des LTP: 145 kg
Abmessungen des LTP: 64 cm x 38 cm x 38 cm
Elektrische Leistungsaufnahme: typ. 150 W
Telemetrierate der Sonde: 1,7 kbit/s (X-Band)


Kontakt
Dr. Hans-Georg Grothues
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Raumfahrtmanagement
, Extraterrestrik
Tel: +49 228 447-348

Fax: +49 228 447-745

E-Mail: HG.Grothues@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/rd/desktopdefault.aspx/tabid-2448/3635_read-5451/
Links zu diesem Artikel
http://www.rssd.esa.int/index.php?project=LISAPATHFINDER&page=Index
http://www.esa.int/esaSC/120397_index_0_m.html
http://www.elisa-ngo.org
http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=27
http://lisa.nasa.gov/
http://geo600.aei.mpg.de/
http://www.ligo.caltech.edu
http://www.virgo.infn.it
Downloads zu diesem Artikel
LISA Pathfinder Datenblatt (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/rx/LISA-PF_D_04_13.pdf)
LISA Pathfinder Fact Sheet (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/rx/LISA-PF_E_04_13.pdf)